鮑豐 崔莎莎
1970年代,高科技建筑運(yùn)動(dòng)在英國和歐洲部分地區(qū)興起,主張將高科技工業(yè)和技術(shù)元素融合到建筑中,同時(shí)期許多建筑采用了精心設(shè)計(jì)的像外骨骼一樣顯露的組裝式鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[1]。在20世紀(jì)80年代中后期美國芝加哥奧黑爾國際機(jī)場(O' Hare International Airport)航站樓建造時(shí),建筑師對外露鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)一步按照建筑美學(xué)原則進(jìn)行了工藝化處理,效果較佳,鋼結(jié)構(gòu)首次可以展示細(xì)節(jié),像建筑細(xì)部一樣品評觀賞。這樣的鋼結(jié)構(gòu)在歐美國家稱為AESS(Architecturally Exposed Structural Steel),即建筑外露鋼結(jié)構(gòu),兼具建筑和結(jié)構(gòu)的雙重屬性,在室內(nèi)外裝飾工程完成后,仍然顯露于公共空間中。建筑外露鋼結(jié)構(gòu)具有金屬的質(zhì)感,同時(shí)展現(xiàn)出制造的工藝和力學(xué)之美,給以玻璃、薄膜和鋼材為主要材料構(gòu)建的“透明性”建筑空間提供了完美的結(jié)構(gòu)解決方案。建筑外露鋼結(jié)構(gòu)是高質(zhì)量的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,近年來我國新建的交通樞紐、體育場館等大型綜合性公共建筑已有初步的應(yīng)用。
建筑外露鋼結(jié)構(gòu)是建筑師主動(dòng)改進(jìn)和顯示鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)果,因此應(yīng)在建筑設(shè)計(jì)文件中進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì),清楚地說明應(yīng)用目的、范圍、做法和技術(shù)要求。這樣的工程在國內(nèi)非常少,基本帶有外資或港資背景,項(xiàng)目建筑師和現(xiàn)場工程師管理團(tuán)隊(duì)熟悉AESS的理念,也具有一定的工程經(jīng)驗(yàn),如上海迪士尼樂園項(xiàng)目,其明日世界主題區(qū)中包括308CANOPY在內(nèi)的3個(gè)鋼結(jié)構(gòu)子分部按設(shè)計(jì)要求確定為AESS,參照美國的AESS相關(guān)規(guī)范進(jìn)行制造、安裝和驗(yàn)收。
目前我國還沒有建筑外露鋼結(jié)構(gòu)的專業(yè)技術(shù)規(guī)范,甚至行業(yè)內(nèi)對這一術(shù)語也沒有統(tǒng)一的定義,但國內(nèi)許多建筑中公共區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于建筑外露鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場景中,帶有建筑外露鋼結(jié)構(gòu)的基本特征。這樣的情況可分為兩種,一是鋼結(jié)構(gòu)顯露在室內(nèi)(透明空間),如上海浦東國際機(jī)場航站樓(如圖1所示),結(jié)構(gòu)張弦鋼梁從明亮的采光天窗和屋頂裝飾中凸顯出來;二是鋼結(jié)構(gòu)顯露在室外,如麗水市體育中心體育館(如圖2所示),結(jié)構(gòu)鋼網(wǎng)格直接暴露在建筑外表面。
圖1 浦東國際機(jī)場航站樓
圖2 麗水市體育中心體育館
上面舉例的兩個(gè)項(xiàng)目都獲得了“中國鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)”,質(zhì)量已是優(yōu)中選優(yōu),但這僅是相對標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)而言,與典型的歐美AESS相比,在公共區(qū)域顯露出來的鋼結(jié)構(gòu)表觀質(zhì)量一般,建筑藝術(shù)表現(xiàn)力尚有一定差距,國內(nèi)其他類似項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)情況也基本如此。近年來,國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)公司承接了很多全面執(zhí)行AESS規(guī)范的海外鋼結(jié)構(gòu)工程,有的做構(gòu)件加工,也有的包含現(xiàn)場安裝,這些鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),對于前述和其他類似項(xiàng)目中公共區(qū)域顯露的鋼結(jié)構(gòu),完全能夠按照建筑外露鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量地完成施工。因此,盡快制訂我國建筑外露鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范,用以指導(dǎo)建筑外露鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用,是必要的、可行的。
國外AESS以美國規(guī)范為代表,美國ANSI/AISC 303-16《鋼建筑和橋梁標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用規(guī)范》[2]中前面各章對標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行規(guī)定,最后一章為AESS(以下簡稱美標(biāo)AESS),重點(diǎn)內(nèi)容包括:(1)按照鋼結(jié)構(gòu)外觀處理的精細(xì)程度和觀看距離分為AESS1~AESS4和AESSC共5類,其中AESSC用以約定用戶的特殊需求;(2)重視工廠的制造經(jīng)驗(yàn)和工藝技術(shù),構(gòu)件的焊縫表觀質(zhì)量和單元外形尺寸的允許偏差比標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)更嚴(yán)格;(3)強(qiáng)調(diào)建筑師、業(yè)主和制造廠家之間對于鋼結(jié)構(gòu)表觀質(zhì)量水平認(rèn)識(shí)的協(xié)調(diào),建議預(yù)先制造實(shí)體節(jié)點(diǎn)/連接樣品作為質(zhì)量評定參照物;(4)根據(jù)工程預(yù)算來確定AESS的應(yīng)用類別、具體的做法和細(xì)節(jié)等。
美標(biāo)AESS著重于構(gòu)件單元的制造和節(jié)點(diǎn)連接的表面處理,但對鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)和安裝后的整體效果重視不足,如長彎結(jié)構(gòu)件主軸線的流暢性、拼接接頭過渡的圓順性等。另外,新鋼結(jié)構(gòu)類型如網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、索承結(jié)構(gòu)等已大量應(yīng)用于大跨度建筑空間中,這些新時(shí)代的工業(yè)成就可以結(jié)合建筑外露鋼結(jié)構(gòu)在適合的場景中有所表現(xiàn),美標(biāo)AESS對此沒有涉及。
相較歐美,我國當(dāng)今推行建筑外露鋼結(jié)構(gòu)有著明顯的優(yōu)勢:(1)鋼鐵產(chǎn)能高,新型管型材(圓管、方管)質(zhì)量穩(wěn)定、規(guī)格齊全,市場供貨充足;(2)建筑焊工人數(shù)多,技術(shù)精湛,人工成本低;(3)生產(chǎn)設(shè)備先進(jìn),制造經(jīng)驗(yàn)豐富,專業(yè)彎管、鑄鋼件制造等細(xì)分市場完善;(4)新技術(shù)研發(fā)強(qiáng)勁,BIM+、仿真預(yù)拼裝等數(shù)字技術(shù)加速推廣應(yīng)用。
我國制訂建筑外露鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范應(yīng)基于當(dāng)前國情與美標(biāo)AESS相協(xié)調(diào),宜在外觀質(zhì)量水平上保持基本相當(dāng),在智能制造和BIM+、仿真預(yù)拼裝等數(shù)字新科技應(yīng)用上適度領(lǐng)先。
限于篇幅,本文主要對建筑外露鋼結(jié)構(gòu)的概念和直接影響實(shí)體質(zhì)量的核心內(nèi)容進(jìn)行探討。
建筑外露鋼結(jié)構(gòu)是指既滿足建筑的結(jié)構(gòu)支撐作用又同時(shí)表達(dá)建筑藝術(shù)語言的外露的鋼結(jié)構(gòu),簡稱建筑鋼結(jié)構(gòu)。
人眼在日光環(huán)境中能夠清晰分辨出兩個(gè)光點(diǎn)的極限分辨角為1'(角度),即在距離6m處能夠看清大約尺寸為1.74mm的物體細(xì)節(jié)。通常情況下,考慮到觀察的背景條件,大多數(shù)人只能看清4m左右以外的物體細(xì)節(jié),所以并非所有的建筑外露鋼結(jié)構(gòu)都要做得一樣精細(xì)。進(jìn)行分級時(shí)考慮的主要因素包括:連接采用焊接或栓接、制造和安裝要求的間隙限制、型鋼的類型和尺寸、室內(nèi)或室外環(huán)境、防火和防腐要求等。建議分為4級(與美標(biāo)AESS基本對應(yīng)):
A1:基本處理,需采取加強(qiáng)的制造工藝措施;
A2:特性處理,距離觀看者﹥6m,可以看到金屬制造的工藝表現(xiàn);對焊縫、連接和制造細(xì)節(jié)采取加強(qiáng)處理,謹(jǐn)慎控制構(gòu)件組裝間隙寬度;
A3:特性處理,距離觀看者≤6m,清楚顯示金屬制造的工藝水平;能看到連接的表面細(xì)節(jié),焊縫應(yīng)打磨平滑,構(gòu)件組裝間隙更加緊湊,間隙寬度統(tǒng)一,表面涂層外觀一致;
A4:展品處理,對于鋼結(jié)構(gòu)的表面和邊緣進(jìn)行超出拼裝連接的特別處理,感覺焊縫本身是其中的一部分,從外觀看起來像一個(gè)整體;外形尺寸偏差限制更加嚴(yán)格,所有的表面非常平滑。
A1~A4級進(jìn)行外觀處理的內(nèi)容(項(xiàng)目)應(yīng)在具體的規(guī)范條文中詳細(xì)列出,其中部分主要控制參數(shù)見本文第2.4節(jié)。
2.3.1 建筑設(shè)計(jì)
建筑外露鋼結(jié)構(gòu)制造、安裝費(fèi)工耗時(shí),成本較高,建筑師和業(yè)主應(yīng)充分協(xié)商,根據(jù)場景的需要仔細(xì)選定等級,考慮的主要因素包括:建筑物的用途、觀看距離、涂裝方式、環(huán)境亮度、藝術(shù)風(fēng)格和預(yù)算等,不同的建筑部位可以采用不同的等級(如圖3所示)。建筑師還要深入地參與結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì),比如節(jié)點(diǎn)的形狀、連接的方式(螺栓連接或焊接)等。管型材(方管、圓管)外形充實(shí),相互之間可以直接相貫焊接,節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡潔,連接過渡自然,并且我國的管型材產(chǎn)品規(guī)格齊全,市場供應(yīng)充足,所以在較低位置時(shí)宜優(yōu)先考慮采用;相對地,H型鋼斷面開放,易受腐蝕,雖然螺栓連接的節(jié)點(diǎn)安裝方便、成本低廉,但用作建筑外露鋼結(jié)構(gòu)顯得有些低端。處于室外的鋼結(jié)構(gòu)如開敞中庭、檐廊、車站雨棚等,通常情況下涂裝應(yīng)以防腐為主、防火次之,建議建筑師依據(jù)防火規(guī)范仔細(xì)把握耐火極限時(shí)間,采用薄型/超薄型防火涂料,以便能夠顯示出連接的制造工藝。結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)成就建筑之美[3](如圖4所示)。
圖3 建筑外露鋼結(jié)構(gòu)的分級采用
圖4 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)之美
2.3.2 詳圖設(shè)計(jì)
應(yīng)創(chuàng)立建筑信息模型(BIM),在鋼結(jié)構(gòu)整體的3D模型中優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件的分段和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。通常采取的優(yōu)化方法包括:(1)焊縫位置優(yōu)化:在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下,將直接外露的焊縫改變至隱蔽位置或朝向非外露面;盡量不在構(gòu)件上焊接吊耳,如果安裝方案要求必須做,可將吊耳焊接在非外露面,對于開口圓管則可以焊接在管口內(nèi)部;(2)焊縫型式優(yōu)化:如將搭接角焊縫改變?yōu)閷雍缚p,將管型構(gòu)件端部的封口板角焊縫改為剖口焊縫,打磨后看起來更加自然、順暢;(3)焊縫尺寸優(yōu)化:根據(jù)連接強(qiáng)度需要盡量減小焊縫尺寸;(4)節(jié)點(diǎn)形式優(yōu)化:如將管桁架K型相貫節(jié)點(diǎn)的插板取消,改為在主管內(nèi)增設(shè)加勁肋,節(jié)點(diǎn)外形簡潔美觀;(5)拼接分段位置優(yōu)化:在鋼結(jié)構(gòu)BIM的3D整體模型中調(diào)整各構(gòu)件分段的長度,將分段拼接點(diǎn)設(shè)置在不易引起注意的位置。
精細(xì)施工管理?xiàng)l件下,在詳圖和安裝圖中標(biāo)明用以顯露的表面能夠盡可能減少建筑外露鋼結(jié)構(gòu)制造的工作量。
2.4.1 原材料
原材料的品種、規(guī)格、性能應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定并滿足設(shè)計(jì)要求。不建議設(shè)置更嚴(yán)格的原材料外形尺寸偏差,會(huì)不必要地推高采購成本。原材料的外形尺寸如型材主軸的平直度、管口橢圓度、鋼板平整度等有偏差的,必要時(shí)可在下料前進(jìn)行矯正。鋼管型材應(yīng)優(yōu)先采用無縫鋼管;處于外露環(huán)境對耐腐蝕有特殊要求或處于侵蝕性環(huán)境中的承重結(jié)構(gòu)宜采用耐候鋼。防腐涂裝材料按照設(shè)計(jì)要求選用,根據(jù)建筑物的重要性、環(huán)境腐蝕條件、施工和維修條件等合理確定防腐蝕年限,涂裝材料應(yīng)環(huán)保節(jié)能。
2.4.2 加工制作
切割鋼板時(shí)應(yīng)采用等離子切割機(jī),用于相貫連接的鋼管桿件應(yīng)用三維數(shù)控車床或數(shù)控相貫線切割機(jī)下料,構(gòu)件的端面銑平應(yīng)用端銑床加工。
建筑外露鋼結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量的允許偏差嚴(yán)于標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu),但應(yīng)適當(dāng)。以下表中建筑外露鋼結(jié)構(gòu)的允許偏差數(shù)值部分參考了美標(biāo)AESS和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《建筑外露彎曲鋼管構(gòu)件》(T/ZZB 2342-2021)[4],并與國標(biāo)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(GB50205-2020)[5]相對比,可以看出建筑外露鋼結(jié)構(gòu)較高的質(zhì)量水平。
(1)焊接的外觀質(zhì)量
打磨是提高焊縫表觀形象最有效的修飾手段。角焊縫和對接與角接的組合焊縫宜采用船形焊接工藝施焊,表面打磨光滑;所有的背襯板、引弧板等應(yīng)去除并將焊縫打磨光滑;安裝吊耳、臨時(shí)支架的焊縫和構(gòu)件表面的鉛印標(biāo)記等應(yīng)打磨光滑。打磨現(xiàn)場要求光線充足,陰角等無法打磨位置可以采用內(nèi)磨頭局部銷??;對于不影響強(qiáng)度的材料表面缺陷,允許使用原子漆進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)填修飾。連續(xù)的焊縫外形尺寸應(yīng)保持一致,對接焊縫的外形尺寸允許偏差如表1所示,其中A1、A2級對接焊縫余高不超過2.0mm,A3、A4級對接焊縫應(yīng)保持平滑、圓弧過渡,指摸無凸起。
表1 焊縫的外形尺寸允許偏差
(2)鑄鋼件的外觀質(zhì)量
近年來新型結(jié)構(gòu)中使用鑄鋼件的情況明顯增多,如索承結(jié)構(gòu)的索頭、樹狀柱支撐的分杈點(diǎn)、管桁結(jié)構(gòu)的雙K型節(jié)點(diǎn)等。鑄鋼件的表面比較粗糙,當(dāng)鑄鋼件用作A2~A4級建筑外露鋼結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)將表面打磨光滑。
(3)預(yù)拼裝單元的外觀質(zhì)量
構(gòu)件組裝間隙應(yīng)符合設(shè)計(jì)和工藝文件要求,由于制造工序多、制造過程中影響因素多,組裝允許偏差應(yīng)根據(jù)成品基本尺寸允許偏差并結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造工藝等而定[6]。當(dāng)設(shè)計(jì)和工藝文件無規(guī)定時(shí),組裝間隙不應(yīng)大于2.0mm。直線型柱構(gòu)件應(yīng)筆直、挺拔,曲線型構(gòu)件整體上線形流暢,分段的拼接連接過渡自然、通順,無明顯折角。A2~A4級預(yù)拼裝單元的允許偏差如表2所示:
表2 預(yù)拼裝單元的允許偏差
宜采用工業(yè)級激光掃描儀生成構(gòu)件單元的3D實(shí)體模型,進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬預(yù)拼裝,必要時(shí)在出廠前進(jìn)行整改,消除拼接接頭折角、錯(cuò)邊等;A3、A4級構(gòu)件對接連接處截面的形狀、尺寸應(yīng)相互匹配。
(4)涂裝的外觀質(zhì)量
厚型防火涂料表面可批膩?zhàn)有揎棧砻鎽?yīng)平整、順直,陰陽角方正。A3、A4級構(gòu)件飾面涂料應(yīng)涂刷均勻,顏色一致,材料質(zhì)感符合設(shè)計(jì)要求。
出廠運(yùn)輸時(shí)每根構(gòu)件都要單獨(dú)包裝,相互間留有縫隙,以免碰撞,并用方木等固定。吊裝應(yīng)采用軟性吊帶,捆綁構(gòu)件的轉(zhuǎn)角處設(shè)置弧形墊板;臨時(shí)存放的場地應(yīng)平整,構(gòu)件用方木墊起。現(xiàn)場安裝應(yīng)嚴(yán)格控制施工誤差,并將實(shí)際誤差在整體BIM模型上標(biāo)定;可利用構(gòu)件出廠時(shí)已掃描的3D實(shí)體模型,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際安裝誤差再進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬拼裝,及時(shí)整改和調(diào)整。構(gòu)件安裝后,后續(xù)施工的其他工種均應(yīng)采取相應(yīng)的措施,加強(qiáng)對鋼結(jié)構(gòu)的成品保護(hù)。
設(shè)計(jì)文件或施工合同中指定的建筑外露鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳圖(包括安裝圖)和現(xiàn)場安裝資料應(yīng)有明確標(biāo)示和記錄。
目前我國建筑工程行業(yè)施行的各級優(yōu)質(zhì)工程評選辦法,均將鋼結(jié)構(gòu)統(tǒng)一歸入主體結(jié)構(gòu)分部中,按結(jié)構(gòu)子分部進(jìn)行驗(yàn)收并參加優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)的評定。對于建筑外露鋼結(jié)構(gòu),如僅僅看重結(jié)構(gòu)安全,就會(huì)忽視建筑屬性的特殊價(jià)值。建議優(yōu)質(zhì)工程評選辦法增加建筑外露鋼結(jié)構(gòu)的相應(yīng)考評,比如在“中國鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)”評選辦法的“工程施工難度”項(xiàng)目中設(shè)置評分點(diǎn),以全面評價(jià)建筑外露鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量,鼓勵(lì)和引領(lǐng)我國鋼結(jié)構(gòu)制造向高端發(fā)展。
優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的原則決定了建筑外露鋼結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)必然較高,即使在我國人工費(fèi)偏低的情況下,A3、A4級的制造成本也可能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)的1.3~ 1.8倍以上。為此,建筑師和業(yè)主要慎重地評估和協(xié)調(diào)建筑外露鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,采取降低造價(jià)的措施,如使用非膨脹型(厚型)防火涂料的構(gòu)件可以不做精細(xì)的表面處理,或指定構(gòu)件的非外露表面以盡可能減少精細(xì)處理的工作量等。
觀感質(zhì)量的評價(jià)具有一定的主觀性,在構(gòu)件正式生產(chǎn)之前,制作一個(gè)包含各種節(jié)點(diǎn)/連接類型并經(jīng)建筑師和業(yè)主方認(rèn)可的實(shí)體樣品,不僅是“樣板引路”的質(zhì)量保證措施,也是后期完工驗(yàn)收的參照依據(jù)。預(yù)先在施工合同中約定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)價(jià)、結(jié)算方式,可以避免糾紛。
國標(biāo)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(GB50205-2020)第13.2.9:涂裝完成后,構(gòu)件的標(biāo)志、標(biāo)記和編號(hào)應(yīng)清晰完整。對于建筑外露鋼結(jié)構(gòu)來說,這些遺留的標(biāo)記會(huì)損害構(gòu)件表觀的一致性,建議允許在構(gòu)件進(jìn)場驗(yàn)收后,將這些工廠標(biāo)記打磨清除,同時(shí)在工程資料中詳細(xì)記錄。
建筑外露鋼結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的建筑藝術(shù)表現(xiàn)力,適當(dāng)應(yīng)用于交通樞紐、體育場館、城市綜合體等公共建筑中,能夠較好地提升建筑品質(zhì)。通過推行建筑外露鋼結(jié)構(gòu),可提升我國高端鋼結(jié)構(gòu)的制造水平,增強(qiáng)建筑企業(yè)走出去服務(wù)“一帶一路”國家發(fā)展戰(zhàn)略的能力,打開更為廣闊的海外市場。本文探討了我國制訂建筑外露鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范的必要性和規(guī)范核心內(nèi)容,對制造工藝和外觀質(zhì)量的允許偏差數(shù)值提出具體規(guī)定,為盡快制訂技術(shù)規(guī)范提供了有價(jià)值的參考。